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1、第四章 二元合金的相结构与结晶3 2 合金的相结构 一、基本概念 1. 合金： 一种金属元素与若干种其它种元素结合成的具有金属特性的物质。 2. 组元： 组成合金的基本物质，可以是元素，也可以是化合物。 3. 相： 合金中化学成分、晶体结构相同，且以界面相互分开的组成部分。二、 合金的相结构 1. 固溶体 （ solid solution ） 合金中各组元在固态互相溶解形成的晶格与某组元相同的新相。该组元称溶剂，其它称溶质。 固溶体的晶体结构与溶剂相同。 浓度： 溶质原子溶入固溶体 中的量。 溶解度：一定温度下的最大浓度，也称固溶度。 1 固溶体的分类： 置换固溶体：溶质原子处于晶格结点上。
2、间隙固溶体：溶质原子处于晶格间隙中。固溶体的性能：因溶质原子的溶入，溶剂晶格产生畸 变，使固溶体的强度、硬度升高，而 塑性、韧性下降。 固溶强化：因形成固溶体使材料的强 度、硬度上升的现象。22. 金属化合物 合金组元相互作用而形成的晶格不同于任一组元的新相。 分类： 正常价化合物： 由元素周期表中相距较远的元素组成，电 负性相差较大, 符合化合价规律，如： Mg2Si, ZnS, 电子化合物：由元素周期表中相距较近, 且原子尺寸相差较 小的的元素组成，一般不符合化合价规律， 其晶体结构由电子 浓度（价电子总数与原子总数之比）决定，如下表所例：3 间隙化合物：由过渡族金属元素（原子半径较大）与
3、非金属 元素（原子半径较小）组成，非金属原子（C、N、B等）处 于晶格间隙中。间隙化合物的晶体结构不同于任一组元，如：VC (fcc 结构) Fe 3C (复杂晶格)4 性能：金属化合物都具有高硬度、高脆性、高熔点的 特点，如下表所例：5三、二元合金相图1。相图：表明合金系中不同成分合金在极缓慢加热(冷却)过 程中的不同温度时，由哪些相构成以及这些相之间的平衡 关系的图形。 极缓慢加热（冷却）过程：即是在每一温度都停留足够长 时间，使合金中的原子充分扩散，组织中各相的化学成分 和相对量最终达到动平衡的状态。这样的过程称平衡过程 。生产实践中的缓慢加热（冷却）过程近似看成是平衡过程 。 相之间的
4、平衡关系：各相的化学成分和相对量（质量分数 ）。62。相图的建立 ： 用实验方法测绘，如Cu Ni合金系： 配置不同成分的Cu Ni合金； 将各液态合金自高温缓慢冷却，作冷却曲线。冷却曲线 上的转折点表示相变开始、终了的温度。记下这些临界点 ； 连点成线。7四、二元相图及合金的平衡结晶分析 匀晶相图：两组元在液态、固态均无限互溶则形成匀晶相图，如 Cu Ni 相图：1. 相图简介：线：液相线、固相线，液相线与固相线的交点 A, B分别为两组元Cu, Ni的熔点。相区：液相区: 单相液态合金L固相区: 单相固溶体两相区: L与共存82. 两相区内的相平衡关系 两相的成分过T1作水平线交液相线、固
5、相线于a、c，则a、c的成分 就分别 是液相和固相的成分。 两相的相对量（质量分数）满足杠杆定律：mLaxm xc 设 mL m 100% 则 mL xc/ac 100%， m ax/ac 100% 93. 两相区内合金的平衡结晶 随温度缓慢下降，液相、固相的成分分别沿着液相 线、固相 线变化，两相的相对量也不断变化。温度降至固相线的时候 ，液相消失，结晶完成，组织为均匀的固溶体。104. 固溶体合金的不平衡结晶实际结晶一般都是不平衡结晶。如右图，在温度t2，在晶体表面结 晶出成分为2的固相，但晶体内部 的成分还是1，由于冷速较快，原 子来不及充分扩散，1还未变成2 ，温度就下降了，又有新固相
6、结晶出 来。这样直至结晶完成，最终形成成 分不均匀的固溶体，这种成分不均匀 的现象称成分偏析。在成分偏析的固溶体中，先结晶 出来的部分含有较多的高熔点组元。11成分过冷及其对晶体长大的影响成分过冷的产生如右图，固溶体合金结晶到 达T2温度。其液固界面前沿液相 具有正温度梯度，界面前沿液 相中溶质B的浓度分布不均匀 ， 该处液相的理论结晶温度发生如 的变化，使实际温度低于理论 结晶温度，产生了一个过冷区域， 这种因溶质浓度改变而在界面液 相产生的过冷现象称为成分过冷。成分过冷区的大小取决于液 相实际温度的分布情况和成分不 均匀的程度。L1LL2T1T2C0温 度溶质B%温 度温 度温 度距离距离
7、距离T2L1L2T1T2B%12成分过冷对晶体长大方式的影响 温度梯度为G1时界面前沿液相出现较大成分过冷，过 冷度随距离增大明显加大，晶体以树枝状 长大，即枝晶成长。 温度梯度为G2时界面前沿液相中的成分过冷较小，过 冷度随距离增大不明显加大，晶体以胞状 长大，形成胞状结构。 温度梯度为G3时界面前沿液相中无成分过冷，晶体平 面长大。在实际生产条件下，金属结晶时界 面前沿液相中的温度梯度不大，所以固 溶体合金的结晶一般都成长为树枝状晶 体。G2G1G3 温 度界面距离熔点曲线实际温度成分过冷对晶体长大影响示意图136.枝晶偏析 产生原因：在固溶体合金实际结晶过程中，因不平衡 结晶和枝晶生长，
8、先结晶出来的枝晶晶轴与后结晶出来 的分支及枝间部分成分不一，形成成分不均匀的树枝状 晶体。 枝晶偏析对金属的力学性能有不良影响，尤其使塑性 韧性下降明显。枝晶偏析可用扩散退火消除。 影响枝晶偏析的因素 合金在相图中液、固相线距离越大，则枝晶偏析越严重 。 合金的冷却速度越大，则枝晶偏析越严重。 合金中原子扩散能力越小，则枝晶偏析越严重。14 共晶相图 1. 相图简介： 线： 液相线： aEb，固相线： aCEDb溶解度线（固溶线）：CG: Sn在中的溶解度线 ，DH: Pb在中的溶解度线 。共晶线：一条水平线 CED。相区：单相区：L, , 双相区：L + ，L + ， + 三相区： L +
9、+ 二元相图中的三相区 都是水平线。152. 共晶转变恒温下，由一定成分的液相同时结晶出两种成分一定的固相 的转变。LE C + D产物称为共晶体， 为两相细密交替分布的机械混合物，如 下右图所示。 共晶体总是写在括号内, 如 (C + D )。 tE共晶体结构示意图163. 典型合金平衡结晶分析合金室温时为均匀的单相。合金 冷却至 CG 线上的3点时 ， 相达到饱和，继续冷 却，则从 相中析出 相 。 从固溶体里析出的另一固 相称为次生相或二次相。合金的室温平衡组织是 + 。合金 (共晶合金)在183发生共晶转变， 产物是（ C + D ），室温时的组织是:（ + ）。17合金 为亚共晶合金
10、, 冷至 aE 线时结晶出固溶体 (称为初晶或先共 晶相），在183时剩余液相的成分到达 E 点 ，这些液相便发 生共晶转变，变成共晶体。共晶转变完成后温度继续下降，初 晶的溶解度发生变化，其内析出二次相 。至室温，合金的平衡组织是（ + ）+ + 结晶过程及组织示意图如下右图所示。184. 共晶相图小结在共晶线上都有共晶转变发生。要区分共晶体、先共晶相（初晶）、二次相的概念。相组成物：组织中的组成相。上图中填写的就是相组成物。组织组成物：组织中有一定形貌的组成部分。可用杠杆定律计算相组成物、组织组成物的相对量。 思考：在上图中填写组织组成物，计算在共晶温度时共晶体内相组成物 的相对量。19
11、包晶相图1. 包晶转变：d + Lc p 恒温下，由一定成分的固相与一定 成分的液相作用形成另一个一定成 分的固相的转变。水平线 dPc 为包 晶线。 新固相是包在旧固相的外层逐渐长 大而成，故名包晶转变。 包晶转变结束形成单相，在随后冷却过程中从其中析出二次相。tp202. 典型合金的平衡结晶 合金在tp 温度发生包晶转变，由 d 、 Lc 两相互相作用，生成p 相，转变终了， 、 L 两相同时消耗完。 最终室温组织：+ 合金 包晶转变终了， 有相剩余。 最终室温组织：+ 合金 包晶转变终了，有 L 相剩余。 最终室温组织：+ 21 共析相图 共析转变：恒温下，由一定成分的固相同时析出另外两
12、种成 分一定的固相的转变。 + 产物（ + ）称共析体，也是两相细密交替分布。 形成稳定化合物的相图稳定化合物在相图 中表现为一垂线，可将 其视为独立组元，并以 其为界将相图分开进行 分析。如Mg - Si相图，以 Mg2Si为界分为两个简单的共晶相图进行分析。22两单相区之间为此二相构成的两相区 分析二元相图的步骤 1. 观察相图中有无稳定的金属化合物，若有，则以垂线为界， 将相图一分为二，分别进行分析。 2. 确定各相区：单相区 两相区；水平线表示三相区。 3. 分析水平线上的恒温转变：共晶？共析？还是包晶？ 4. 分析二次相的析出如固溶体的溶解度随温度变化，则固溶体中将会析出二次相 。23
